一种高锰高碳可焊金属陶瓷块及其增强的辊套和制备方法
技术领域
本发明涉及一种高锰高碳可焊金属陶瓷块及其增强的辊套和制备方法，属于金属基复合材料和耐磨材料技术领域。
背景技术
应用于矿山、水泥等领域的辊面材料因长期承受撞击、摩擦及切削等作用，使辊面材料出现不同程度的磨损失效从而降低了辊面材料的使用寿命。目前，常用的辊面主要为高铬铸铁辊面、堆焊辊面和金属陶瓷块增强的耐磨辊面三种。高铬铸铁辊面材料因其具有大量的M7C3型碳化物和马氏体基体使其具有优良的耐磨性能而被广泛使用，但是高铬铸铁辊面韧性较差，在使用过程中易产生裂纹，造成辊面报废。堆焊是将耐磨材料在高温的条件下焊接于辊面表面，此种辊面具有较高的耐磨性和易于修补等优点。但在长期的使用过程中辊面易出现裂纹、夹杂、未焊透等缺陷，造成堆焊耐磨层的脱落。在反复修复脱落的堆焊层时，会使生产周期延长。在严重的磨损工况条件下通常选用金属陶瓷块增强的耐磨辊面，此种辊面的耐磨寿命远高于高铬铸铁辊面和堆焊辊面。但是在磨损过程中，辊面出现局部破损或产生较大缺口时，金属陶瓷块增强的耐磨辊面不易采用焊接的方式进行修补，造成辊套的提前报废。辊套中的金属陶瓷块不能使用焊接修补的主要原因为如下两点：1.现有的金属陶瓷块增强的耐磨辊套中，金属与陶瓷未能实现完全的冶金界面结合，在热应力的作用下导致界面开裂；2.目前所使用的金属陶瓷块中，基体采用高铬铸铁材料，其焊接性能较差，在焊接修补的过程中容易开裂。
因此，如何发明出一种既可以实现焊接修复又能使金属与陶瓷实现冶金界面结合的金属陶瓷块是待急需解决的问题。基于以上原因，本发明开发出一种高锰高碳可焊的金属陶瓷块增强的耐磨辊套，进而提高辊套的使用寿命和应用广泛性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种高锰高碳可焊金属陶瓷块及其增强的辊套和制备方法。该高锰高碳可焊金属陶瓷块包括合金化后的增强颗粒和基体材料，其中，合金化后的增强颗粒为高锰粉末包覆的ZTA和/或Al2O3陶瓷颗粒，通过液相烧结法将制备成表面包覆高锰的骨架材料，并将其破碎后得到合金化的陶瓷颗粒；基体材料为高锰高碳的铬铁耐磨材料，由于Mn为弱碳化物形成元素，基体中的Mn少部分同Cr形成M7C3型碳化物，大部分的Mn分布于基体中形成奥氏体相区，使其具有可焊性；基体中因为Mn元素的加入使ZTA颗粒和金属陶瓷块中的基体材料具有润湿性，使得金属陶瓷块体中的陶瓷颗粒与基体发生有效的冶金结合。将合金化后的增强颗粒、复合添加颗粒与基体材料进行液相烧结，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。再将高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接于辊套的指定位置；最后浇铸成辊套设备。此方法制备的辊套具有较高的强度、操作方法简单、增强块体完全固定于指定位置和方便修复等优点。
本发明采用以下技术方案来实现：
本发明的一种高锰高碳可焊金属陶瓷块，包括合金化后的增强颗粒、基体材料和复合添加颗粒；
所述的合金化后的增强颗粒为，锰粉末或氧化锰粉末包覆陶瓷颗粒形成核壳结构的颗粒，其中，按质量比，锰粉末：陶瓷颗粒＝1：(1～3)；或按质量比，MnO粉末：ZTA陶瓷颗粒1：(4～10)；所述的陶瓷颗粒为ZTA和/或Al2O3；
所述的基体材料为高碳高锰的耐磨材料，基体材料含有的原料粉末及各个原料粉末的质量百分比为：C：1.0～6％、Si：0.1～1.0％、Cr：4～30％、Mn：10～25％、Mo：0～10％、W：0～10％、V：0～20％、Ni：0～30％、Cu：0～20％、B：0～20％、P≤0.02％、S≤0.01％，余量为铁及不可避免的杂质，其中，基体中所包含的合金元素中，Cr、Mo、W、V、Ni、Cu、B至少含有一种；
按体积比，合金化后的增强颗粒：基体材料原料粉末＝1:(1～4)；
所述的复合添加颗粒为WC颗粒、SiC颗粒、VC颗粒、TiC颗粒中的一种或几种；按体积比，ZTA：复合添加颗粒＝(3～5):(0～1)，按体积比，Al2O3：复合添加颗粒＝(3～5):(0～1)。
其中，Mn粉末和MnO粉末的粉末粒度为60～1000目，陶瓷颗粒的粒径为0.1～3mm，复合添加颗粒的粒径为0.1～3mm。
所述的高锰高碳可焊金属陶瓷块的形状为圆柱体、长方体、四方体、六边棱柱体及根据实际应用条件时不规则形状中的一种。
本发明的一种高锰高碳可焊金属陶瓷块的制备方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷颗粒清洗后，按配比，将Mn粉末和/或MnO粉末通过粘结剂均匀包覆在清洗后的陶瓷颗粒表面，然后，置于氩气气氛保护炉中烧结，得到烧结后的骨架材料；
将烧结后的骨架材料破碎成单一颗粒后，得到合金化后的增强颗粒；
(2)将合金化后的增强颗粒、复合添加颗粒和基体材料原料粉末按配比，混合均匀，得到混合物料；
(3)将混合物料放入坩埚中，在置于氩气气氛保护炉中，进行烧结，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。
所述的步骤(1)中，粘结剂为水玻璃(硅酸钠)、PVA(聚乙烯醇)、PAM(聚丙烯酰胺)或酚醛树脂中的一种或几种，其总量为陶瓷颗粒总质量的5％～15％。
所述的步骤(1)中，氩气气氛保护炉中烧结的工艺参数为：以8～10℃/min速度升温至800～850℃，保温60～90min；以4～6℃/min速度升温至900～1400℃，保温3～10h后随炉冷却。
所述的步骤(2)中，混合均匀的混合时间为3～10h。
所述的步骤(3)中，氩气气氛保护炉的烧结工艺为：以4～6℃/min速度升温至800～850℃，保温1～3h；以5～8℃/min速度升温至1200～1600℃，保温5～10h后随炉冷却。
本发明的一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套，为将高锰高碳可焊金属陶瓷块采用焊接的方式固定于辊套的指定位置，并通过浇铸材料的方式制备的辊套设备，所述的辊套设备可应用于工作条件严酷的水泥、矿山等领域。
所述的一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套，包括上述高锰高碳可焊金属陶瓷块和浇铸材料，其中，高锰高碳可焊金属陶瓷块位于高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套外表面，其中，高锰高碳可焊金属陶瓷块占高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套外表面的体积百分比为10％～40％，高锰高碳可焊金属陶瓷块的设置位置为以下两种中的一种：
第一种：钢筋焊接形成钢筋骨架后，将高锰高碳可焊金属陶瓷块使用焊条焊接于钢筋骨架外表面，其高锰高碳金属陶瓷块的排布方式为从底层至上逐层焊接的方式固定于钢筋骨架外表面；
第二种：采用从底层至顶层使用焊条逐层上增的方式形成高锰高碳金属陶瓷块的骨架，并将其放置于砂型的内表面。
所述的浇铸材料为低碳钢、高锰钢、高铬铸铁材料中的一种，各个材料的化学成分及各个化学成分的质量百分比为：
低碳钢：C：0.02％～0.045％，余量为铁及不可避免的杂质；
高锰钢：C：0.75％～1.45％、Mn：11～25％、Si:0.1％～0.5％、Cr：0.5～2.0％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；
高铬铸铁：C：2％～6％、Mn：0.5～1.0％、Si:0.1％～1.0％、Ni：1.0～2.5％、Cr：11～30％、Mo：1.0～3.0％、Cu：0.5～1.2％、P:0～0.01％、S:0～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：高锰高碳可焊金属陶瓷块的固定
(1)砂型的制备
选用砂型原料，按配比混合均匀后，根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套形状，制备砂型，并对造型后的砂型内表面烘干，得到干燥后的砂型；
(2)根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套中高锰高碳可焊金属陶瓷块的设置位置，进行设置，高锰高碳可焊金属陶瓷块的排布方式为：每层中，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块间隔放置；
(3)根据高锰高碳可焊金属陶瓷块的位置和排布，将高锰高碳可焊金属陶瓷块采用低碳钢焊条或含镍铸铁焊条，以蜂窝状结构分布并固定在设置位置，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块的骨架材料；
步骤2：辊套的浇铸
(1)将焊接高锰高碳可焊金属陶瓷块的骨架材料的砂型推入高炉中，进行预热，预热温度为220～650℃，预热时间为1～7h，得到预热后的砂型；
(2)将熔炼后的浇铸材料，注入预热后的砂型中，自然冷却至室温，得到冷却后的辊套；其中，浇铸温度为1300～1600℃；
步骤3：整体辊套的热处理
(1)将冷却后的辊套去除外表面的砂型后，将其放入高炉内进行整体高温扩散退火处理后空冷，得到退火后的辊套；其中，退火温度为1000～1350℃，退火时间为8～12h；
(2)将退火后的辊套进行淬火处理，得到淬火后的辊套；其中，淬火温度为950～1050℃，保温8～10h；
(3)将淬火后的辊套进行回火处理，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套；其中，回火温度为220～550℃，保温8～12h。
所述的步骤1(1)中，所述的砂型包含的原料及各个原料的质量百分比为：型砂：75～80％，粘土：10～14％，余量为水，型砂为锆英砂、刚玉砂、铬铁矿砂中的一种或几种混合。
所述的步骤1(1)中，所述的烘干，温度为300～700℃，时间为2～8h。
所述的步骤1(2)中，蜂窝状结构中，在同一层，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块的间隔距离为2cm～10cm，其中，高锰高碳可焊金属陶瓷块所占的面积为辊面外表面面积的10％～40％；其中，辊面外表面厚度优选为3cm～5cm。
所述的步骤1(3)中，高锰高碳可焊金属陶瓷块的焊接方式为焊条电弧焊，其焊接前需要清理焊接表面，以免影响电弧引燃和焊缝的质量。
所述的步骤1(3)中，所述的含镍铸铁焊条的直径为4～5mm。
所述的步骤2(2)中，所述的浇铸材料为低碳钢、高锰钢、高铬铸铁材料中的一种，各个材料的化学成分及各个化学成分的质量百分比为：
低碳钢：C：0.02％～0.045％，余量为铁及不可避免的杂质。
高锰钢：C：0.75％～1.45％、Mn：11～25％、Si:0.1％～0.5％、Cr：0.5～2.0％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；
高铬铸铁：C：2％～6％、Mn：0.5～1.0％、Si:0.1％～1.0％、Ni：1.0～2.5％、Cr：11～30％、Mo：1.0～3.0％、Cu：0.5～1.2％、P:0～0.01％、S:0～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述的步骤2(2)中，熔炼后的浇铸材料为将浇铸材料原料置于1400～1700℃温度下进行熔炼。
在使用过程中，当高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套辊面材料因高冲击、过铁、硬物割伤而造成大于100mm以上的缺口时，本发明所制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块因其还具备较好的补焊性，当高锰高碳可焊金属陶瓷块基体中因Mn元素大量添而形成的奥氏体相区与冷却凝固过程中形成的马氏体相区配分为：奥氏体含量>20％时，所制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块具有焊接性能。因此，能够使用耐磨焊条对缺口处进行补焊。
所述的高锰高碳可焊金属陶瓷块的基体组织为奥氏体和马氏体，其中，奥氏体的体积百分含量>20％，余量为马氏体。
可以证明，高锰高碳可焊金属陶瓷块的可焊性大幅度的提高了辊套的使用寿命。
所述的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的补焊过程中，可使用的耐磨焊条型号为：EDPCrMo-A3-03、EDPMn6-15、EDPCrMo-A4-03、EDPCrMoV-A2-15、EDPCrSi-B、EDMn-A-16、EDCrMn-B-16/EDCrMn-B-15、EDRCrMoWV-A2-15中的一种。
本发明一种高锰高碳可焊金属陶瓷块及其增强的辊套和制备方法，和现有技术相比，具有如下特点：
(1)本发明制备工艺简单、易于操作、可对使用过程中的缺陷进行在线修复，便于工业化大规模生产；
(2)本发明方法对ZTA陶瓷颗粒和/或Al2O3陶瓷颗粒表面包覆高锰粉末处理，使ZTA陶瓷颗粒和/或Al2O3陶瓷颗粒表面金属化，提高了金属液与基体之间的润湿性。
(3)高Mn粉末与铁形成无限互溶固溶体元素，第一方面，锰钢在基体中以奥氏体的形式保留至室温，提高了基体材料的韧性；
第二方面，Mn在基体中形成少量的Mn系碳化物，如M7C3型碳化物，增强了基体有耐磨性；
第三方面，Mn的加入会氧化成MnO，通过MnO-Al2O3的二元相图分析，得出MnO可与ZTA陶瓷中的Al2O3反应，ZTA陶瓷通过该层与金属化层结合，反应原理如下如示：
MnO+Al2O3—MnO﹒Al2O3
(4)本发明中的高锰高碳可焊金属陶瓷块的基体材料中添加了高锰成分，其锰元素一部分存在于碳化物中，另一部分则分布于基体中。因此，基体材料为奥氏体区域，从而避免了基体中因碳化物在焊接过程中的开裂现象。使高锰高碳可焊金属陶瓷块可以使用低碳钢焊条、镍基铸铁焊条或其它焊条以焊接的方式固定于辊套的外表面，从而避免了在浇铸过程中高锰高碳可焊金属陶瓷块被冲跑或移动位置的风险。
(5)本发明的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套经热处理后，辊套的整体性能提升，同时没有出现开裂的现象。
附图说明
图1高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接在辊套外表面的俯视图和正视图；其中，(a)为俯视图，(b)为正视图；
图2高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接在钢筋骨架内表面的正视图；
图1和图2中，1—砂型；2—高锰高碳可焊金属陶瓷块；3—焊条；4—钢筋焊接骨架。
图3辊面材料在线修复的焊接过程示意图；
图4使用耐磨焊条在线修复辊面材料的完成示意图；
图3和图4中，5—耐磨焊条；6—损伤缺口；7—复合材料基体；8—损伤缺口修复后表面。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中，采用的低碳钢焊条或含镍铸铁焊条的主要化学成分如表1所示：
表1低碳钢焊条或含镍铸铁焊条的化学成分/％(质量分数)
实施例1
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，高锰高碳可焊金属陶瓷块的制备
(1)将ZTA陶瓷颗粒清洗后，按配比，称量将纯Mn粉末与自制粘结剂(水玻璃和PAM的混合物，按质量比，水玻璃：PAM＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA陶瓷总质量的5％，Mn粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:1)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结，烧结工艺为：以8℃/min速度升温至800℃，保温60min；以4℃/min速度升温至900℃，保温3h后随炉冷却。再将烧结后的骨架材料破碎后得到合金化后的ZTA陶瓷颗粒。
(2)将合金化后的ZTA陶瓷颗粒和合金基体材料粉末按体积比为1:1放入混粉机中混合10小时，得到混合物料。其中，基体材料粉末的合金成分为：C：6％、Si:1.0％、Ni:30％、Mo：10％、Mn：10％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
(3)将混合均匀的混合物料放入刚玉坩埚中，然后将其放入氩气气氛保护炉中进行烧结。烧结工艺为：以4℃/min速度升温至800℃，保温1h；以5℃/min速度升温至1200℃，保温5h后随炉冷却，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。
步骤2，高锰高碳可焊金属陶瓷块的固定
(1)砂型制备。使用铬铁矿砂：75％，粘土：14％，余量为水作为砂型原料，根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套形状进行造型，对造型后的砂型内表面进行烘干，烘干温度为700℃，时间为2小时，得到干燥后的砂型。
(2)将烧结后的高锰高碳可焊金属陶瓷块按使用需求设定其好的蜂窝状结构，每层中，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块间隔放置，高锰高碳可焊金属陶瓷块之间的距离为2cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的体积占辊套外表面积的40％。
(3)将高锰高碳可焊金属陶瓷块固定于辊套的指定位置，采用镍铁铸铁焊条，型号为EZNiFeMn，焊条直径为4mm，使用电弧焊的焊接的方式将其固定在砂型的内表面。
(4)将金属陶瓷块体按逐层往上焊接的方式固定于砂型的内表面，使辊套外表面的增强块体以蜂窝状结构分布并固定。
具体的为：采用EZNiFeMn焊条将相邻的高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接，进行第二层高锰高碳可焊金属陶瓷块放置，其中，相邻两层高锰高碳可焊金属陶瓷块的交替分布，依次类推，将高锰高碳可焊金属陶瓷块逐层向顶层方向焊接，高锰高碳可焊金属陶瓷块以蜂窝状结构分布并固定，得到内表面焊接高锰高碳可焊金属陶瓷块的骨架材料，如图1所示；
步骤3，辊套的浇铸
(1)将步骤2中内表面焊接高锰高碳可焊金属陶瓷块的骨架材料的砂型整体推入高炉中进行预热，预热温度为220℃，预热时间为7h，得到预热后的砂型；
(2)浇铸材料为低碳钢增韧材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：0.02％，余量为铁及不可避免的杂质。将浇铸材料在1700℃温度下进行熔炼；
(3)预定的浇铸钢水出炉后，使用重力浇铸的方式，浇铸温度为1600℃，注入预热后的砂型中，自然冷却至室温，得到冷却后的辊套；
步骤4，整体辊套的热处理
(1)将冷却后的辊套去除外表面的砂型后，将其放入高炉内进行整体高温扩散退火处理后空冷。退火温度为1000℃，退火时间为12h；
(2)将退火后的辊套进行淬火处理，淬火温度为1050℃，保温8h；
(3)将淬火后的辊套进行回火处理，回火温度为220℃，保温8h，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.7J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.08g。
实施例2
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，金属陶瓷块体的制备
(1)将ZTA陶瓷颗粒清洗后，按配比，称量将纯Mn粉末与自制粘结剂(PVA和PAM的混合物，按质量比，PVA：PAM＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA陶瓷总质量的15％，Mn粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:2)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结，烧结工艺为：以10℃/min速度升温至850℃，保温90min；以6℃/min速度升温至1400℃，保温10h后随炉冷却。再将烧结后的骨架材料破碎后得到合金化后的ZTA陶瓷颗粒。
(2)将合金化后的ZTA陶瓷颗粒与作为复合添加颗粒原始WC颗粒，按照复合添加颗粒的体积比为ZTA:WC＝3:1称量，然后和基体材料粉末按体积比为合金化后的ZTA陶瓷颗粒+复合添加颗粒的原始WC颗粒：基体材料粉末＝1:2，放入混粉机中混合3小时，得到混合物料。
其中，基体材料粉末的合金成分为：C：6％、Si:1.0％、V:20％、Mo：1％、Mn：15％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
(3)将混合均匀的混合物料放入刚玉坩埚中，然后将其放入氩气气氛保护炉中进行合金化烧结。合金化烧结工艺为：以6℃/min速度升温至850℃，保温3h；以8℃/min速度升温至1600℃，保温10h后随炉冷却，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。
步骤2，高锰高碳可焊金属陶瓷块的固定
(1)砂型制备。使用铬英砂+刚玉砂：80％，粘土：10％，余量为水作为砂型原料，根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套形状进行造型，对造型后的砂型内表面进行烘干，烘干温度为300℃，时间为8小时，得到干燥后的砂型。
(2)将烧结后的高锰高碳可焊金属陶瓷块按使用需求设定其好的蜂窝状结构，每层中，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块间隔放置，高锰高碳可焊金属陶瓷块之间的距离为10cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的体积占辊套外表面积的10％。
(3)将高锰高碳可焊金属陶瓷块固定于辊套的指定位置，采用低碳钢焊条，焊条直径为5mm，使用电弧焊的焊接的方式将其固定在砂型的内表面。
(4)根据辊套的外径使用钢筋焊接成骨架后，将金属陶瓷块体按逐层往上焊接的方式固定于钢筋骨架的内表面，使辊套外表面的增强块体以蜂窝状结构分布并固定。
具体的为：
使用钢筋预先焊接成圆环形的骨架形状，其圆环的半径为辊套半径减去高锰高碳可焊金属陶瓷块的高度，并将高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接于钢筋骨架的外表面。高锰高碳可焊金属陶瓷块的焊接方式为：采用低碳钢焊条将相相邻的高锰高碳可焊金属陶瓷块焊接于骨架底层，进行第二层高锰高碳可焊金属陶瓷块放置，其中，相邻两层高锰高碳可焊金属陶瓷块的交替分布；依次类推，将高锰高碳可焊金属陶瓷块逐层向顶层方向焊接，高锰高碳可焊金属陶瓷块以蜂窝状结构分布并固定，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块的骨架材料，如图2所示；
步骤3，辊套的浇铸
(1)将步骤2中内表面焊接金属陶瓷块体的砂型整体推入高炉中进行预热，预热温度为650℃，预热时间为1h，得到预热后的砂型；
(2)浇铸材料为高铬铸铁耐磨材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：6％、Mn：0.5％、Si:0.1％％、Ni：1.0％、Cr：30％、Mo：3.0％、Cu：0.5％、P:0.01％、S:0.06％，其余为Fe及不可避免的杂质。将浇铸材料在1400℃温度下进行熔炼；
(3)预定的浇铸钢水出炉后，使用重力浇铸的方式，浇铸温度为1300℃，注入预热后的砂型中，自然冷却至室温，得到冷却后的辊套。
步骤4，整体辊套的热处理
(1)将冷却后的辊套去除外表面的砂型后，将其放入高炉内进行整体高温扩散退火处理后空冷。退火温度为1350℃，退火时间为8h；
(2)将退火后的辊套进行淬火处理，淬火温度为950℃，保温10h；
(3)将淬火后的辊套进行回火处理，回火温度为550℃，保温12h，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.5J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.06g。
实施例3
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，高锰高碳可焊金属陶瓷块的制备
(1)将Al2O3陶瓷颗粒清洗后，按配比，称量将纯Mn粉末与自制粘结剂(PVA和水玻璃的混合物，按质量比，水玻璃：PVA＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为Al2O3陶瓷总质量的10％，Mn粉末：Al2O3陶瓷颗粒＝1:3)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的Al2O3陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结，烧结工艺为：以9℃/min速度升温至820℃，保温70min；以5℃/min速度升温至1300℃，保温5h后随炉冷却。再将烧结后的骨架材料破碎后得到合金化后的Al2O3陶瓷颗粒。
(2)将合金化后的Al2O3陶瓷颗粒与作为复合添加颗粒的原始TiC颗粒，按照复合添加颗粒的体积比为Al2O3:TiC＝4:1称量，然后和基体材料粉末，按体积比为合金化后的Al2O3陶瓷颗粒+复合添加颗粒的原始TiC颗粒：基体材料粉末＝1:4，放入混粉机中混合5小时，得到混合物料。其中，基体材料粉末的合金成分为：C：2％、Si:0.1％、Cr:30％、Mn：20％、W:2％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
(3)将混合均匀的混合物料放入刚玉坩埚中，然后将其放入氩气气氛保护炉中进行烧结。烧结工艺为：以5℃/min速度升温至820℃，保温2h；以6℃/min速度升温至1400℃，保温6h后随炉冷却，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。
步骤2，高锰高碳可焊金属陶瓷块的固定
(1)砂型制备。使用铬英砂：78％，粘土：12％，余量为水，作为砂型原料，根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套形状进行造型，对造型后的砂型内表面进行烘干，烘干温度为500℃，时间为6小时，得到干燥后的砂型。
(2)将烧结后的高锰高碳可焊金属陶瓷块按使用需求设定其好的蜂窝状结构，每层中，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块间隔放置，高锰高碳可焊金属陶瓷块之间的距离为8cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的体积占辊套外表面积的20％。
(3)将高锰高碳可焊金属陶瓷块固定于辊套的指定位置，采用纯镍铁铸铁焊条，型号为EZNi-2、EZNi-3，焊条直径为5mm，使用电弧焊的焊接的方式将其固定在砂型的内表面。
(4)将金属陶瓷块体按逐层往上焊接的方式，使辊套外表面的增强块体以蜂窝状结构分布并固定。
步骤3，辊套的浇铸
(1)将步骤2中内表面焊接金属陶瓷块体的砂型整体推入高炉中进行预热，预热温度为550℃，预热时间为4h；
(2)浇铸材料为高铬铸铁耐磨材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：2％、Mn：1.0％、Si:1.0％％、Ni：2.5％、Cr：11％、Mo：1.0％、Cu：1.2％，其余为Fe及不可避免的杂质。将浇铸材料在1500℃温度下进行熔炼；
(3)预定的浇铸钢水出炉后，使用重力浇铸的方式，浇铸温度为1400℃，注入预热后的砂型中，自然冷却至室温，得到冷却后的辊套；
步骤4，整体辊套的热处理
(1)将冷却后的辊套去除外表面的砂型后，将其放入高炉内进行整体高温扩散退火处理后空冷。退火温度为1250℃，退火时间为10h；
(2)将退火后的辊套进行淬火处理，淬火温度为1000℃，保温9h；
(3)将淬火后的辊套进行回火处理，回火温度为300℃，保温9h，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.9J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.10g。
实施例4
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，高锰高碳可焊金属陶瓷块的制备
(1)将ZTA陶瓷颗粒清洗后，按配比，称量将纯MnO粉末与自制粘结剂(PVA、水玻璃和PAM的混合物，按质量比，PVA：水玻璃：PAM＝1:1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA陶瓷总质量的12％，MnO粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:4)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结，烧结工艺为：以8.5℃/min速度升温至850℃，保温80min；以6℃/min速度升温至1320℃，保温7h后随炉冷却。再将烧结后的骨架材料破碎后得到合金化后的ZTA陶瓷颗粒。
(2)将合金化后的ZTA陶瓷颗粒和作为复合添加颗粒的原始VC颗粒，按照复合添加陶瓷颗粒的体积比为ZTA:VC＝5:1)称量后，然后和基体材料粉末，按体积比为合金化后的ZTA陶瓷颗粒和复合添加的原始VC颗粒：基体材料粉末1:2，放入混粉机中混合7小时，得到混合物料。其中，基体材料粉末的合金成分为：C：1％、Si:0.1％、B:20％，Mo:10％、Mn：25％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
(3)将混合均匀的混合物料放入刚玉坩埚中，然后将其放入氩气气氛保护炉中进行烧结。烧结工艺为：以5℃/min速度升温至830℃，保温3h；以7℃/min速度升温至1500℃，保温8h后随炉冷却，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块。
步骤2，高锰高碳可焊金属陶瓷块的固定
(1)砂型制备。使用刚玉砂：76％，粘土：13％，余量为水，作为砂型原料，根据待制备的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套形状进行造型，对造型后的砂型内表面进行烘干，烘干温度为600℃，时间为5小时，得到干燥后的砂型。
(2)将烧结后的高锰高碳可焊金属陶瓷块按使用需求设定其好的蜂窝状结构，每层中，相邻两个高锰高碳可焊金属陶瓷块间隔放置，高锰高碳可焊金属陶瓷块之间的距离为6cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的体积占辊套外表面积的30％。
(3)将高锰高碳可焊金属陶瓷块固定于辊套的指定位置，采用低碳钢焊条，焊条直径为5mm，使用电弧焊的焊接的方式将其固定在砂型的内表面。
(4)将金属陶瓷块体按逐层往上焊接的方式，使辊套外表面的增强块体以蜂窝状结构分布并固定。
步骤3，辊套的浇铸
(1)将步骤2中内表面焊接金属陶瓷块体的砂型整体推入高炉中进行预热，预热温度为600℃，预热时间为5h；
(2)浇铸材料为高锰钢耐磨材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：0.75％％、Mn：25％、Si:0.1％％、Cr：0.5％、P:0.02％、S:0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质；将浇铸材料在1600℃温度下进行熔炼；
(3)预定的浇铸钢水出炉后，使用重力浇铸的方式，浇铸温度为1500℃，注入预热后的砂型中，自然冷却至室温，得到冷却后的辊套；
步骤4，整体辊套的热处理
(1)将冷却后的辊套去除外表面的砂型后，将其放入高炉内进行整体高温扩散退火处理后空冷。退火温度为1300℃，退火时间为11h；
(2)将退火后的辊套进行淬火处理，淬火温度为1050℃，保温9h；
(3)将淬火后的辊套进行回火处理，回火温度为500℃，保温10h，得到高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.8J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.09g。
实施例5
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，同实施例2，其不同之处在于：
步骤1(1)中，本实施例采用纯MnO粉末与自制粘结剂(水玻璃、酚醛树脂的混合物，按质量比，水玻璃：酚醛树脂＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA总质量的8％，MnO粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:10)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结，烧结工艺为：以9℃/min速度升温至820℃，保温70min；以5℃/min速度升温至1300℃，保温7h后随炉冷却。
步骤1(2)中，将合金化后的ZTA陶瓷颗粒和作为复合添加颗粒的原始SiC颗粒，按照复合添加颗粒的体积比为ZTA:SiC＝3:1称量后，然后和基体材料粉末，按体积比为合金化后的ZTA陶瓷颗粒+复合添加颗粒的原始SiC颗粒：基体材料粉末＝1:2放入混粉机中混合7小时，得到混合物料。其中基体材料粉末的合金成分为：C：4％、Si:0.1％、Cr:4％、Cu:20％、W:10％、Mn：12％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
步骤1(3)中，合金化烧结工艺为：以8℃/min速度升温至810℃，保温80min；以4℃/min速度升温至1290℃，保温6h后随炉冷却。
步骤2(1)中，砂型原料使用刚玉砂+铬铁矿砂的混合物(刚玉砂:铬铁矿砂＝1:1)：78％，粘土：12％，余量为水。烘干温度为600℃，时间为5小时。
步骤2(2)中，高锰高碳可焊金属陶瓷块在辊套外表面之间的距离为3cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的总面积占辊套外表面积的35％。
步骤2(3)中，采用镍铜铸铁焊条，型号为EZNiCu-1，焊条直径为5mm。
步骤3(1)中，辊套的预热温度为300℃，预热时间为4h；
步骤3(2)中，浇铸材料为低碳钢增韧材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：0.045％％，余量为铁及不可避免的杂质。将浇铸材料在1600℃温度下进行熔炼；
步骤3(3)中，重力浇铸温度为1500℃；
步骤4(1)中，辊套退火温度为1200℃，退火时间为10h；
步骤4(2)中，辊套的淬火温度为1000℃，保温9h；
步骤4(3)中，辊套的回火温度为500℃，保温10h。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.9J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.11g。
实施例6
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，同实施例2，其不同之处在于：
步骤1(1)中，本实施例采用纯MnO粉末与自制粘结剂(水玻璃和PAM的混合物，按质量比，水玻璃：PAM＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA总质量的9％，MnO粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:6)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结。
步骤1(2)中，将合金化后的ZTA陶瓷颗粒和基体材料粉末按体积比为合金化后的ZTA陶瓷颗粒：基体材料粉末＝1:3放入混粉机中混合6小时，得到混合物料。其中，基体材料粉末的合金成分为：C：5％、Si:0.1％、Cr:4％、Mo:2％、Mn：16％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
步骤1(3)中，合金化烧结工艺为：以8℃/min速度升温至820℃，保温80min；以4℃/min速度升温至1270℃，保温6h后随炉冷却。
步骤2(1)中，砂型原料使用铬铁矿砂：78％，粘土：11％，余量为水。烘干温度为400℃，时间为5小时。
步骤2(2)中，高锰高碳可焊金属陶瓷块在辊套外表面之间的距离为3cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块占辊套外表面积的35％。
步骤2(3)中，采用镍铜铸铁焊条，型号为EZNiCu-2，焊条直径为4mm。
步骤3(1)中，辊套的预热温度为310℃，预热时间为4h；
步骤3(2)中，浇铸材料为高锰钢耐磨材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：1.45％、Mn：11％、Si:0.1％％、Cr：0.5％，其余为Fe及不可避免的杂质；将浇铸材料在1550℃温度下进行熔炼；
步骤3(3)中，重力浇铸温度为1450℃；
步骤4(1)中，辊套退火温度为1000℃，退火时间为9h；
步骤4(2)中，辊套的淬火温度为980℃，保温8h；
步骤4(3)中，辊套的回火温度为510℃，保温11h。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.8J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.07g。
实施例7
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的制备方法，同实施例3，其不同之处在于：
步骤1(1)中，本实施例采用纯MnO粉末与自制粘结剂(水玻璃、PVA混合物，按质量比，水玻璃：PVA＝1:1)混合搅拌均匀后(其中，自制粘结剂的质量为ZTA陶瓷颗粒总质量的12％，MnO粉末：ZTA陶瓷颗粒＝1:8)，将搅拌好的粉体均匀地包覆在已清洁好的ZTA陶瓷颗粒表面，放置于氩气气氛保护炉中烧结。
步骤1(2)中，将合金化后的ZTA陶瓷颗粒和基体材料粉末，按体积比为合金化后的ZTA陶瓷颗粒：基体材料粉末＝1:1放入混粉机中混合8小时，得到混合物料。其中，基体材料粉末的合金成分为：C：3.8％、Si:0.5％、Cr:6％、Mo:1％、Mn：20％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。
步骤1(3)中，合金化烧结工艺为：以8℃/min速度升温至850℃，保温90min；以4℃/min速度升温至1300℃，保温6h后随炉冷却。
步骤2(1)中，砂型原料使用铬英砂：75％，粘土：11％，余量为水。烘干温度为440℃，时间为4小时。
步骤2(2)中，高锰高碳可焊金属陶瓷块在辊套外表面之间的距离为7cm，高锰高碳可焊金属陶瓷块的总面积占辊套外表面积的20％。
步骤2(3)中，采用镍铜铸铁焊条，型号为EZNiFeCu，焊条直径为5mm。
步骤3(1)中，辊套的预热温度为650℃，预热时间为2h；
步骤3(2)中，浇铸材料为高锰钢耐磨材料，其化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：1.25％、Mn：15％、Si:0.5％％、Cr：1.0％，其余为Fe及不可避免的杂质；将浇铸材料在1600℃温度下进行熔炼；
步骤3(3)中，重力浇铸温度为1500℃；
步骤4(1)中，辊套退火温度为1100℃，退火时间为10h；
步骤4(2)中，辊套的淬火温度为990℃，保温9h；
步骤4(3)中，辊套的回火温度为300℃，保温8h。
经整体热处理后的无开口复合辊套材料的冲击韧性可达4.7J/cm2。三体磨损测试时，磨损的法向载荷为130±4N，试验行程为2100m时，磨损量为0.09g。
实施例8
一种高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套的补焊，将本发明的已经有缺口的高锰高碳可焊金属陶瓷块增强的辊套进行修补，其缺口为100mm，直接采用耐磨焊条对缺口进行焊接，本实施例中，耐磨焊条为EDPCrMoV-A2-15，其修复过程的焊接示意图如图3所示，修复后的耐磨辊面如图4所示。
对比专利可以参见专利一种表面处理ZTA颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法(201811620521.1)中使用在ZTA陶瓷颗粒表面镀覆Cr-Ni层，使ZTA颗粒与铁基材料达到冶金结合；
对比专利还可以参见专利粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法(201610648252.4)中采用活性金属粉末Ni、Cr、Cu、Ti中的任一或多种组合来实现ZTA颗粒与基体的复合。
对比例
对实施例2中，将基体材料粉末的合金成分调节为：C：6％、Si:1.0％、Cr:4％、Mo：10％、Mn：0％、P:0.02％、S:0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。同实施例2中后续相同的制备方法制备出耐磨复合材料。通过测试发现，经整体热处理后的复合材料的冲击韧性为1.5J/cm2，三体磨损测试时，磨损量为3.21g。对比实施例2中的测试性能发现，没有Mn元素添加的复合材料性能较差，ZTA颗粒与基体之间界面结合较差，甚至于不可作为耐磨材料。因此，从以上对比专利和对比实施例中可以发现，Mn材料的价格更为低廉，且Mn材料在复合材料中起着以下至关重要的作用。具体表现在：
1.可以使ZTA颗粒与基体达到冶金复合的效果。
2.在具有冲击条件的磨损工况下，会产生相变硬化提升了材料的整体耐磨性。
3.Mn元素会扩大基体中的奥氏体相区，提高了材料的冲击韧性。
